潘旭磊，趙金鵬，任國濤，趙 悟

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064)

1 引言

封隔器廣泛應(yīng)用于油氣勘探與開發(fā)的各個過程。目前，隨著鉆采工藝的發(fā)展和油氣開采工況的日趨復(fù)雜化，對封隔器的工作性能提出了更高的要求［1-2］。利用CAD/CAE集成技術(shù)進(jìn)行封隔器設(shè)計(jì)和開發(fā)不僅可以縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期而且能最大限度的節(jié)約人力物力，因而成為目前封隔器設(shè)計(jì)的主流方法。然而國內(nèi)目前對于封隔器膠筒組合的有限元分析主要停留在二維模型上，筆者一改以往使用二維有限元模型對膠筒組合進(jìn)行有限元分析的方法，通過數(shù)據(jù)接口利用三維動態(tài)模型對封隔器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)仿真及對封隔器密封關(guān)鍵部件——膠筒組合進(jìn)行有限元分析，并總結(jié)出了相關(guān)規(guī)律，對于使用CAD/CAE集成手段設(shè)計(jì)和研發(fā)封隔器具有指導(dǎo)意義。

2 封隔器虛擬樣機(jī)的模型構(gòu)建

Pro/E軟件是基于特征建模的參數(shù)化集成系統(tǒng)，其具有的全相關(guān)性、尺寸驅(qū)動性等優(yōu)點(diǎn)，為設(shè)計(jì)封隔器虛擬樣機(jī)提供了便利。首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求構(gòu)建封隔器各零件的三維實(shí)體模型，然后依據(jù)各零件之間實(shí)際約束關(guān)系，在Pro/E組件環(huán)境中按其自由度加以約束，基于Pro/E單一數(shù)據(jù)庫、全相關(guān)性的特點(diǎn)，在裝配的過程中發(fā)現(xiàn)如零件尺寸、形狀、位置等方面出現(xiàn)問題的時候可及時對模型進(jìn)行修改直至滿足裝配要求，完成裝配的封隔器虛擬樣機(jī)如圖1所示。

圖1 封隔器虛擬樣機(jī)裝配圖

3 封隔器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真

應(yīng)用Pro/E機(jī)構(gòu)仿真模塊，通過定義驅(qū)動，運(yùn)行機(jī)構(gòu)，干涉檢查，創(chuàng)建運(yùn)動包絡(luò)和創(chuàng)建軌跡曲線等方法的結(jié)合，對封隔器的軌道換向、上提和下放管柱、卡瓦的撐開和收回等動作進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的合理性檢查，如圖2、3所示。在此過程中對各種運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行測量并不斷優(yōu)化，盡可能使各項(xiàng)參數(shù)合理化。

圖2 封隔器坐封

圖3 封隔器解封

4 封隔器關(guān)鍵件——膠筒組合的有限元分析

封隔器膠筒是封隔器的關(guān)鍵部件，膠筒的密封性能關(guān)乎到封隔器的使用效果，封隔器的密封性能主要體現(xiàn)為膠筒的徑向膨脹量，和膠筒與其他零件之間的接觸應(yīng)力。在Pro/E中構(gòu)建封隔器膠筒組合三維實(shí)體模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將該模型導(dǎo)入ANSYS軟件，然后構(gòu)建膠筒組合的三維有限元模型并進(jìn)行分析，膠筒組合模型各部分的幾何參數(shù)如表1所列，圖4為膠筒組合的三維有限元模型。

表1 膠筒組合模型的幾何參數(shù)

圖4 膠筒組合的三維有限元模型

在ANSYS材料模型庫中Mooney-Rivlin模型是一個比較經(jīng)典的模型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學(xué)行為［3］，本文選用Mooney2Rivlin模型，其材料常數(shù)如表2所列。

表2 封隔器膠筒材料常數(shù)

5 模型的加載和求解

壓縮膠筒時中心管可看作靜止，因而固定中心管下端面，套管被水泥膠結(jié)，所以固定套管下端面采用從上往下加載的方法，固定下支撐環(huán)的下端面。在上支撐環(huán)的上端面施加向下的位移載荷，在模型各部分之間的接觸面上設(shè)置接觸對并設(shè)定摩擦系數(shù)，然后設(shè)置時間步長等相關(guān)參數(shù)后對模型進(jìn)行求解，控制摩擦系數(shù)為0.5，壓縮距為55mm時，通過ANSYS后處理模塊對模型的應(yīng)變和各接觸面上的接觸應(yīng)力進(jìn)行檢查如圖5～7所示。

由圖5可以知道，膠筒組合徑向的最大應(yīng)變值為-11.431mm，可見膠筒膨脹后能與套管內(nèi)壁完全緊貼，說明該材料模型的膠筒組合在受到上部55mm的壓縮距時，達(dá)到了封隔器密封所需的膨脹量，分析表明最大變形量出現(xiàn)在上膠筒的上邊緣區(qū)域，說明在該載荷下上膠筒上邊緣處即加載端明顯出現(xiàn)了突出現(xiàn)象，為了改善該情況，建議在設(shè)計(jì)膠筒組合時考慮加裝防突裝置。

圖5 膠筒組合的徑向應(yīng)變云圖(俯視圖)

通過調(diào)節(jié)應(yīng)力云圖顏色標(biāo)尺的示值范圍，結(jié)合圖6、7可以看出，最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在上膠筒上端面與隔環(huán)相接觸的面上，其分布規(guī)律呈現(xiàn)出從圓心向四周依次遞增的趨勢;膠筒與隔環(huán)接觸面上的接觸應(yīng)力沿高度方向從上到下逐層遞減;同時，在中心管與膠筒的接觸面上，接觸應(yīng)力同樣沿高度方向從上到下呈遞減趨勢;在膠筒和套管的接觸面上，接觸應(yīng)力仍沿高度方向從上到下呈遞減趨勢，且遞減趨勢極為明顯。結(jié)合膠筒變形情況表明，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在膠筒發(fā)生突變的邊緣區(qū)域，而上、中、下三個膠筒與套管壁的接觸應(yīng)力沿高度方向差別巨大，說明膠筒組合的密封效果與其受載狀態(tài)關(guān)系密切，在上述載荷條件下，上膠筒即加載端膠筒與套管內(nèi)壁接合最為緊密，密封效果優(yōu)于其它膠筒。

圖6 各接觸面上接觸應(yīng)力分布云圖

圖7 各接觸面上接觸應(yīng)力分布云圖

為得到摩擦系數(shù)和壓縮距對膠筒組合密封性能的影響規(guī)律，本文分析并統(tǒng)計(jì)了壓縮距為45mm不同摩擦系數(shù)，和摩擦系數(shù)為0.5不同壓縮距，兩組條件下膠筒組合的最大接觸應(yīng)力變化情況。如圖8、9，分析顯示，在壓縮距保持不變摩擦系數(shù)小于0.5的情況下，膠筒組合上的最大接觸應(yīng)力隨摩擦系數(shù)的增長而緩慢增長，當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.5時，最大接觸應(yīng)力隨摩擦系數(shù)的增長迅速增長;隨著壓縮距的加大，膠筒組合上的最大接觸應(yīng)力不斷增長，最大接觸應(yīng)力在壓縮距大于45mm的區(qū)段上陡然上升。以上現(xiàn)象充分說明了封隔器密封膠筒材料的非線性特性，因此，為了進(jìn)一步驗(yàn)證封隔器膠筒組合的密封性能，應(yīng)考慮虛擬設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析結(jié)合的方法。

圖8 最大接觸應(yīng)力與摩擦系數(shù)的關(guān)系

圖9 最大接觸應(yīng)力與壓縮 距離的關(guān)系

6 總結(jié)

本文以Y211-115封隔器為例，采用CAD/CAE集成技術(shù)完成了封隔器虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真分析的整個過程，展示了封隔器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、機(jī)構(gòu)運(yùn)動，和密封關(guān)鍵件——膠筒組合在設(shè)定載荷下的應(yīng)變分布規(guī)律和接觸應(yīng)力分布規(guī)律，分析并統(tǒng)計(jì)了不同摩擦系數(shù)和不同壓縮距下，膠筒組合受到的最大接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，為運(yùn)用CAD/CAE集成技術(shù)進(jìn)行封隔器及其密封膠筒的研究和開發(fā)提供了理論參考和方法指導(dǎo)。

［1］ 江漢石油管理局采油工藝研究所.封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1983.

［2］ 劉永輝.封隔器膠筒性能有限元分析［D］.南充:西南石油大學(xué)，2005.

［3］ 黃建龍.基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析［J］.橡膠工業(yè)，2008，55(8):467-470.

［4］ ANSYS動力學(xué)分析指南［Z］.ANSYS公司，2000.